伴隨著“天宮二號”的發(fā)射升空，一臺“長相”與我們?nèi)粘Ｋ玫溺姳硗耆煌暮谏珗A柱體——空間冷原子鐘來到太空開始履行自己的使命。這臺由中科院上海光學(xué)精密機械研究所研制的“定時神針”會實現(xiàn)約3000萬年誤差1秒的超高精度，是國際首臺在軌運行并開展科學(xué)實驗的空間冷原子鐘，也是目前在空間運行的最高精度原子鐘。那么，它是怎樣達(dá)到這樣的超高精度的呢?它又是用來干什么的呢?

① 超高精度的“高冷”鐘

空間冷原子鐘是在地面噴泉原子鐘的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合的噴泉冷原子鐘，主要包括物理單元、微波單元、光學(xué)單元和控制單元4個組成部分。相比于之前太空運行的最高精度300萬年誤差1秒的熱原子鐘，這只冷原子鐘將時間精度提升了10倍。

中國科學(xué)院上海光機所量子光學(xué)重點實驗室主任劉亮介紹說，如果說機械表1天差不多有1秒誤差，石英表10天大概有1秒誤差，氫原子鐘數(shù)百萬年有1秒誤差，那么這臺冷原子鐘則可以做到3000萬年誤差1秒。

空間冷原子鐘達(dá)到超高精度的秘訣主要在于“高、冷”：一方面得益于太空中“天宮二號”的“微重力”環(huán)境;另一方面則因為其自身的“冷”。

在微重力環(huán)境下，原子團(tuán)可以做超慢速勻速直線運動，基于對這種運動的精細(xì)測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而可獲得更高精度的原子鐘信號，實現(xiàn)在地面上無法實現(xiàn)的性能，這是原子鐘和時間基準(zhǔn)發(fā)展歷史上的重要突破。

此外，利用激光冷卻技術(shù)，原子氣體被冷卻至極低的溫度，則極大地消除了原子熱運動對原子鐘性能的影響。

“就像你坐在房間里，雖然看不見原子或分子，但里面的原子或分子都在運動，運動就會產(chǎn)生熱，便是熱原子。冷原子技術(shù)則是用激光的方法將原子溫度從室溫降低到接近絕對零度。對這些幾乎不動的原子進(jìn)行測量，結(jié)果會更加準(zhǔn)確。”劉亮解釋道。

② 應(yīng)用廣泛的實用鐘

空間冷原子鐘可以在太空中對其他衛(wèi)星上的星載原子鐘進(jìn)行無干擾的時間信號傳遞和校準(zhǔn)，從而避免大氣和電離層多變狀態(tài)的影響，使得基于空間冷原子鐘授時的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有更加精確和穩(wěn)定的運行能力。同時冷原子技術(shù)的發(fā)展大幅度提高了許多實驗的精度，使原來不可能進(jìn)行的實驗成為可能。

比如在開展深空導(dǎo)航定位方面，若是能在空間合適的位置放置高精度原子鐘，就可以實現(xiàn)大尺度的高精度導(dǎo)航。劉亮說：“最合適的位置是太陽系中的各個拉格朗日點，因為這里不受引力的影響。若在這些點上各放置一臺高精度原子鐘，則至少可以在太陽系內(nèi)較大范圍中實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。這一旦實現(xiàn)，就可以進(jìn)行大尺度時空研究。”

同時，空間冷原子干涉儀可以取代空間激光干涉儀，實現(xiàn)在軌引力波探測。以往采用激光干涉儀探測引力波，需要兩個臂，這就意味著所有的方案都必須要有3個位置，也就是需要3顆衛(wèi)星。目前中國實施空間引力波探測的“太極計劃”和“天琴計劃”都需要3顆衛(wèi)星，而空間冷原子干涉儀只需要兩顆衛(wèi)星就能探測引力波，技術(shù)難度和成本都有所降低。

另外，空間冷原子鐘還可以測量引力紅移。根據(jù)廣義相對論，時間沒有一個統(tǒng)一的概念，在不同引力場里面，時間是不一樣的。“如果我們天上有個原子鐘，地面也有個原子鐘，都很準(zhǔn)確，那么一比較就知道，時間相差多少，然后利用這個時間差就可以測量引力紅移。”劉亮說。

③ 計時工具的新變革

原子鐘使計時精度飛速發(fā)展，而空間冷原子鐘更是人類計時史上的革命。

在歷史長河中，人們對于時間一直有自己的判斷和計量方法，日晷、水鐘、沙漏等計時裝置標(biāo)志著人造時鐘開始出現(xiàn)。

隨著鐘擺等可長時間反復(fù)周期運動的振蕩器的出現(xiàn)，人們發(fā)明了真正可持續(xù)運轉(zhuǎn)的時鐘，如擺鐘。在此基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出日益精密的機械鐘表，計時精度達(dá)到基本滿足人們?nèi)粘Ｓ嫊r需要的水平。隨著晶體振蕩器的發(fā)明，小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機械鐘應(yīng)用在電子計時器和其它各種計時領(lǐng)域，至今，還是主要計時工具之一。

20世紀(jì)40年代開始，科學(xué)家發(fā)展出比晶體鐘更高精度的原子鐘，并在此基礎(chǔ)上研制出噴泉冷原子鐘。

2016年，經(jīng)過科學(xué)家們近10年努力，中國第一臺空間冷原子鐘研制成功并隨“天宮二號”進(jìn)入太空開展任務(wù)工作，不僅為各種量子敏感器奠定技術(shù)基礎(chǔ)，而且將在一系列重要領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。

“未來可能出現(xiàn)更精準(zhǔn)的原子核鐘，”劉亮說，“我們終極目標(biāo)是制造出在宇宙的生命周期內(nèi)永不會走偏的時鐘。”崔馨月